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STM32 SPI通信详解：硬件电路与代码实现

创作时间:
作者:
@小白创作中心

STM32 SPI通信详解：硬件电路与代码实现

引用
CSDN
1.
https://blog.csdn.net/weixin_61921209/article/details/139202796

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种常用的同步串行外设接口，广泛应用于嵌入式系统中。本文将详细介绍SPI通信的基本概念、硬件电路连接、移位示意图、时序以及在STM32微控制器上的硬件和软件实现方法。

一、SPI通信

  1. SPI（Serial Peripheral Interface）是由Motorola公司开发的一种通用数据总线
  2. 四根通信线：SCK（Serial Clock）、MOSI（Master Output Slave Input）、MISO（Master Input Slave Output）、SS（Slave Select）
  • 同步，全双工
  • 支持总线挂载多设备（一主多从）

二、硬件电路

  1. 所有SPI设备的SCK、MOSI、MISO分别连在一起
  2. 主机另外引出多条SS控制线，分别接到各从机的SS引脚
  3. 输出引脚配置为推挽输出，输入引脚配置为浮空或上拉输入
  4. 片选信号SS是低电平有效，哪个SS被置为低电平，总线上的设备就哪个起作用，有且至多仅有一个从设备与主机通信

PS：

  1. 推挽输出均有很强的驱动能力，使得上升沿和下降沿的速度很快。
  2. SS有高电平时（从机未被选中），此时从机的MISO切换成高阻态。

三、移位示意图

例如：主机的数据要发送到从机，从机的数据要发送主机（采用模式1）

  1. 时钟产生一个上升沿的电平，主机的高位移到MOSI（移位寄存器）线上，从机的高位移到MISO（移位寄存器）上。（SPI高位先行）
  2. 时钟产生一个下降沿时，主机会对MISO线上（移位寄存器）进行采样，从机会对MOSI线上（移位寄存器）进行采样
  3. 时钟继续产生一个上升沿的电平，主机的高位移到MOSI线上（移位寄存器），从机的高位移到MISO上（移位寄存器）。（SPI高位先行）
  4. 时钟继续产生一个下降沿时，主机会对MISO线上（移位寄存器）进行采样，从机会对MOSI线上（移位寄存器）进行采样
  5. 这样不断的循环直到主机把从机的数据置换过来

SPI通信最终的原理是主机与从机的字节交换，当主机没有数据给从机（主机只接收），而主机又需要从机的数据，主机就可以写一个垃圾数据（0XFF、0X00）给从机，就可以把主机想要的从机数据置换过来。当主机只发送的时候，从机也会随便写一个垃圾数据（0XFF、0XFF）给主机，将主机的数据置换出去

四、SPI时序

起始条件：SS从高电平切换到低电平
终止条件：SS从低电平切换到高电平

  • 交换一个字节（模式0）

  • CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平

  • CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

  • 由于SCK第一个边沿就要采样数据，那么从机和主机应该提前把数据移出来，所以在SS下降沿的时候主机和从机就移出数据了，如果一个字节交换结束之后还要继续交换数据，SCK的最后一个下降沿就会移出第二字节的最高位数据，如果主机和从机不继续交换数据，主机和从机的最高位也会冒一个头

  • 交换一个字节（模式1）

  • CPOL=0：空闲状态时，SCK为低电平

  • CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

  • 交换一个字节（模式2）

  • CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平

  • CPHA=0：SCK第一个边沿移入数据，第二个边沿移出数据

  • 交换一个字节（模式3）

  • CPOL=1：空闲状态时，SCK为高电平

  • CPHA=1：SCK第一个边沿移出数据，第二个边沿移入数据

五、硬件SPI代码

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "mySPI.h"
//PA3 RTS
/**
  * 函    数：SPI写SS引脚电平，SS仍由软件模拟
  * 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SS的电平，范围0~1
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置SS为低电平，当BitValue为1时，需要置SS为高电平
  */
void MySPI_W_SS(uint8_t BitValue)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_4, (BitAction)BitValue);		//根据BitValue，设置SS引脚的电平
}
/**
  * 函    数：RST由软件模拟
  * 参    数：BitValue 协议层传入的当前需要写入SS的电平，范围0~1
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数需要用户实现内容，当BitValue为0时，需要置RST为低电平，当BitValue为1时，需要置RST为高电平
  */
void SPI_RST(uint8_t number)
{
    GPIO_WriteBit(GPIOA,GPIO_Pin_3,(BitAction)number);
}
/**
  * 函    数：SPI初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void MySPI_Init(void)
{
    /*开启时钟*/
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);	//开启SPI1的时钟
    
    /*GPIO初始化*/
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;		//SPI1 NSS/SDA
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA4引脚初始化为推挽输出
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;	//SPI1 MOSI/--7
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;		//SPI1 SCK/--5
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA5和PA7引脚初始化为复用推挽输出
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;		//SPI1 MISO/
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA6引脚初始化为上拉输入
    //PA3是ＲＣ５２２的复位引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;				 //
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; 		 //
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;		 PA3 RTS
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					 //
    
    /*SPI初始化*/
    SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;						//定义结构体变量
    SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;			//模式，选择为SPI主模式
    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;	//方向，选择2线全双工
    SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;		//数据宽度，选择为8位
    SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;		//先行位，选择高位先行
    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_128;	//波特率分频，选择128分频
    SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;				//SPI极性，选择低极性
    SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;			//SPI相位，选择第一个时钟边沿采样，极性和相位决定选择SPI模式0
    SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;				//NSS，选择由软件控制
    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;				//CRC多项式，暂时用不到，给默认值7
    SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);						//将结构体变量交给SPI_Init，配置SPI1
    
    /*SPI使能*/
    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);									//使能SPI1，开始运行
    
    /*设置默认电平*/
    MySPI_W_SS(1);											//SS默认高电平
    SPI_RST(1);
}
/**
  * 函    数：SPI起始
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void MySPI_Start(void)
{
    MySPI_W_SS(0);				//拉低SS，开始时序
}
/**
  * 函    数：SPI终止
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void MySPI_Stop(void)
{
    MySPI_W_SS(1);				//拉高SS，终止时序
}
/**
  * 函    数：SPI交换传输一个字节，使用SPI模式0
  * 参    数：ByteSend 要发送的一个字节
  * 返 回 值：接收的一个字节
  */
uint8_t MySPI_RW_Byte(uint8_t ByteSend)
{
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) != SET);	//等待发送数据寄存器空
    
    SPI_I2S_SendData(SPI1, ByteSend);								//写入数据到发送数据寄存器，开始产生时序
    
    while (SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) != SET);	//等待接收数据寄存器非空
    
    return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);								//读取接收到的数据并返回
}

六、软件SPI代码

#include "stm32f10x.h"
#include "softspi.h"
/**********************************
*该程序是软件SPI的测试 用SPI零模式来操作
*SS---PA4
*SCLK---PA5
*PA6--MISO
*PA7--MOSI
*对于主机来说片选信号和时钟和主机输入都是输出引脚
*输出引脚配置为推挽输出(有独立的输入输出线，不需要考虑输入扫描时，输入线有输出的电平造成短路现象)，输入引脚配置为浮空或上拉输入
***********************************/
//片选信号写操作
void MySPI_W_SS(uint8_t value)
{
     GPIO_WriteBit(A, Pin_SS, (BitAction)value);
}
//主机输出从机输入写操作
void MySPI_W_MOSI(uint8_t value)
{
     GPIO_WriteBit(A, Pin_MOSI, (BitAction)value);
}
//时钟信号写操作
void MySPI_W_SCLK(uint8_t value)
{
     GPIO_WriteBit(A, Pin_SCLK, (BitAction)value);
}
//读取MISO操作
uint8_t MySPI_R_MISO(void)
{
     return GPIO_ReadInputDataBit(A,  Pin_MISO);
}
//初始化SPI引脚
void MySoftSPI_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef Init_GPIO; 
    //初始化时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    //初始化输出引脚
    Init_GPIO.GPIO_Pin = Pin_SS | Pin_SCLK | Pin_MOSI;		//设置引脚
    Init_GPIO.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//设置输出的速度
    Init_GPIO.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;	//设置输出模式为推挽输出
    GPIO_Init(A, &Init_GPIO);//真正的初始化到引脚结构体中
    
    //初始化输入引脚
    Init_GPIO.GPIO_Pin = Pin_MISO;		//设置引脚
    Init_GPIO.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;	//设置输出的速度
    Init_GPIO.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;	    //设置输入模式为上拉输入
    GPIO_Init(A, &Init_GPIO);//真正的初始化到引脚结构体中
    MySPI_W_SS(1);//片选拉高
    //SoftW25Q64_W_MOSI(Bit_SET);//没有明确规定 可以不需理会
    MySPI_W_SCLK(0);//0模式初始化是低电平
}
//SPI起始信号
void MySPI_Start(void)
{
    MySPI_W_SS(0);//片选拉低
}
//SPI停止信号
void MySPI_Stop(void)
{
    MySPI_W_SS(1);//片选拉高
}
//SPI字节交换（传输数据），0模式
uint8_t MySPI_RW_Byte(uint8_t byte)
{
    uint8_t i,ReciveData = 0x00;
    for(i = 0;i < 8;i++)
    {
        MySPI_W_MOSI(byte & (0x80 >>i));//SS拉低之后把byte的每一位依次传到MOSI上(MOSI引脚上输出对应的电平)
        MySPI_W_SCLK(1);//这时自动将MOSI数据进行采样
        if(MySPI_R_MISO() == 1){ReciveData |= (0x80>>i);}//MISO上的引脚进行读取电平
        
        MySPI_W_SCLK(0);//传出下一位到MOSI上
    }
    return ReciveData;
}

ＳＰＩ有连续输出和非连续输出，一般采用非连续输出

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